蔡武 ，竇林名 ，司光耀 ，胡亞偉

a State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

b Department of Earth Science and Engineering, Royal School of Mines, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK

c School of Minerals and Energy Resources Engineering, University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia

1. 引言

斷層沖擊地壓是井田范圍內(nèi)由于煤層采掘活動引起斷層的突然相對錯動而猛烈釋放能量的現(xiàn)象[1]，其中，斷層錯動（亦稱“活化”）是斷層沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵。例如，2011年11月3日19時18分，河南義馬千秋煤礦F16逆沖斷層活化誘發(fā)的重大沖擊地壓事故，監(jiān)測能量為3.5×108J，造成10人死亡、75人被困[2]；2014年3月27日11時18分，千秋煤礦再次發(fā)生的一起較大沖擊地壓事故，監(jiān)測能量為1.1×107J，造成6人死亡、13 人受傷，斷層活化被認為是此次事故的主要誘因[3]；此外，義馬躍進煤礦25110工作面采掘臨近F16逆沖斷層時發(fā)生多起較為嚴重的沖擊地壓[4,5]。因此，如果能事先清楚煤層采掘擾動引起斷層活化的力學(xué)機制及其誘沖機理，那么就可提前較準確地采用理論與監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動融合預(yù)測斷層沖擊地壓的發(fā)生，并采取合理的防治及應(yīng)急避讓措施保障礦工人身安全。

針對斷層活化及其誘沖機理，國內(nèi)外學(xué)者緊緊圍繞“開采活動如何引起斷層活化，斷層活化又如何影響工作面圍巖應(yīng)力狀態(tài)”兩大關(guān)鍵問題，采用現(xiàn)場觀測和理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、實驗研究等手段，獲得了大量研究成果。

現(xiàn)場觀測與理論研究表明[6]，工作面臨近斷層開采時沖擊地壓危險上升；齊慶新等[7]提出的沖擊地壓黏滑失穩(wěn)機理指出，煤巖層的層間薄軟層、斷層弱面等結(jié)構(gòu)的存在，是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的主要結(jié)構(gòu)因素；潘一山等[1]提出的擾動響應(yīng)判別準則認為，斷層切應(yīng)力增大或正應(yīng)力減小是斷層活化的主要原因；李志華[8]提出的黏滑-黏彈脆性體突變理論認為，斷層活化分為動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種力學(xué)機制；李振雷等[5]提出的斷層煤柱型沖擊地壓機理認為，斷層煤柱型沖擊分為斷層活化型、煤柱破壞型和耦合失穩(wěn)型三種，并計算得出砌體梁結(jié)構(gòu)作用下的斷層煤柱將承受高靜載[9]。

相似、數(shù)值模擬研究方面，左建平等[10]在相似模型實驗中利用經(jīng)緯儀監(jiān)測采動影響下斷層活動的水平位移證實了斷層發(fā)生滑移錯動。孔朋等[11]、紀洪廣等[12]、李志華[8]研究不同采掘布置方式對斷層活化的影響表明，工作面平行于斷層走向開采的擾動影響要小于垂直于斷層走向開采；工作面在斷層下盤開采時采動對斷層活化的影響更大。蔣金泉等[13]研究了硬厚覆巖正斷層附近的采動應(yīng)力演化特征，結(jié)果表明，斷層切割作用起到了應(yīng)力阻隔效應(yīng)，使得斷層帶的頂板處于低應(yīng)力狀態(tài)、底板處于應(yīng)力集中狀態(tài)。張寧博[14]、李騰等[15]研究采動影響下斷層附近的礦壓規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著工作面距斷層距離的減小，工作面支承壓力的峰值位置向前轉(zhuǎn)移，斷層容易活化，通過斷層后，支承壓力減小，并逐漸恢復(fù)至正常狀態(tài)。姜耀東等[16]、朱廣安等[17]研究開采擾動下斷層應(yīng)力演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，開采臨近斷層時，其正應(yīng)力和剪應(yīng)力急劇增加，斷層活化的可能性增加，反過來斷層活化對工作面附近煤體產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)的沖擊和加卸載作用，最終導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。羅浩等[18]研究義馬F16逆沖斷層對沖擊地壓的影響規(guī)律表明，斷層活化前，煤層開采引起覆巖運動形成高應(yīng)力集中區(qū)；斷層活化時，覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、斷層應(yīng)力場變化與斷層活化動載耦合作用導(dǎo)致災(zāi)變。Ⅰslam和Shinjo [19]采用邊界元法模擬孟加拉Barapukuria煤礦開采引起斷層活化的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，開采擾動作用下斷層及其附近圍巖的變形及應(yīng)力場產(chǎn)生顯著變化，且在斷層端部出現(xiàn)高應(yīng)力集中。Sainoki和Mitri [20,21]基于三維快速拉格朗日分析程序（FLAC-3D）模擬研究了應(yīng)力波、斷層面粗糙度等因素對斷層活化的影響。

斷層活化實驗研究方面，Brace和Byerlee [22]首次提出了地震黏滑說，認為斷層正應(yīng)力達到一定強度后，斷層失穩(wěn)不再是穩(wěn)定滑動形式，而是一種伴隨應(yīng)力降的失穩(wěn)錯動。宋義敏等[23]采用雙軸加載方式進行的直剪摩擦實驗表明，斷層沖擊地壓的發(fā)生需要滿足一定的側(cè)向應(yīng)力條件。崔永權(quán)等[24]研究側(cè)向應(yīng)力波對斷層活化的影響發(fā)現(xiàn)，側(cè)向應(yīng)力的小幅度擾動能引起“低摩擦”現(xiàn)象出現(xiàn)，并產(chǎn)生大幅度的應(yīng)力降。

綜上所述，斷層活化不管是在理論研究、現(xiàn)場觀測，還是實驗研究等方面均已被證實。斷層附近應(yīng)力分布的數(shù)值模擬及相似模型實驗結(jié)果，很好地揭示了采動應(yīng)力主導(dǎo)作用下的斷層活化誘沖機理。然而，上述斷層沖擊地壓理論主要以采動應(yīng)力影響為主，很少考慮動載擾動的影響。同時斷層活化的摩擦實驗大部分也都是針對地震機理展開研究，忽略了地下工程巷道、煤層等采掘過程中真實的采動應(yīng)力加卸載及礦震動載效應(yīng)。因此，仍需進一步研究考慮真實采動應(yīng)力路徑和礦震動載擾動作用下的斷層活化力學(xué)機制及其誘沖機理，這是解決斷層沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警與防治這一前沿科學(xué)問題的理論基礎(chǔ)，具有極其重要的作用。

鑒于此，本文首先在調(diào)研總結(jié)煤層采掘活動與斷層賦存狀態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)上，將煤層采掘擾動作用下斷層活化類型歸結(jié)為采動應(yīng)力主導(dǎo)型和礦震動載主導(dǎo)型兩種；然后，采用理論與數(shù)值仿真計算研究了兩種斷層活化類型的力學(xué)機制及其動靜載疊加誘沖機理，并探討了斷層沖擊地壓的監(jiān)測與防治方法及策略；最后，結(jié)合數(shù)值模擬、相似模型實驗以及微震監(jiān)測驗證了該機理的合理性。

2. 斷層活化力學(xué)機制及其誘沖機理

2.1. 斷層活化概念模型

斷層作為煤層采掘過程中普遍存在的一種地質(zhì)構(gòu)造，其獨特不連續(xù)結(jié)構(gòu)控制著煤巖的變形、破壞與力學(xué)性質(zhì)，該結(jié)構(gòu)與煤層采掘活動之間的相互作用是斷層活化的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研總結(jié)，煤層采掘活動引起斷層活化可歸納為如圖1所示的四種概念模型。

（1）模型A：采掘活動遠離斷層。斷層煤柱靜載應(yīng)力與采動應(yīng)力互不影響，此時斷層活化的可能性較小，不過由于斷層在漫長的地質(zhì)構(gòu)造活動中往往處于一種臨界穩(wěn)定狀態(tài)，不排除開采活動引起的遠場礦震動載觸發(fā)斷層的局部變形和瞬間錯動。

（2）模型B：垂直斷層走向臨近掘進或回采。斷層煤柱靜載應(yīng)力與采動應(yīng)力疊加形成高靜載，同時采動應(yīng)力呈水平采空側(cè)卸載和豎直方向加載的特性[25]，將必然引起斷層應(yīng)力場的局部調(diào)整而解鎖活化，稱之為采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化。

（3）模型C：垂直斷層走向遠離掘進或回采。斷層煤柱足夠?qū)挄r，采動應(yīng)力與斷層煤柱靜載應(yīng)力互不影響，與模型A類似；反之，隨著工作面的開采，上覆頂板巖層彎曲下沉，斷層煤柱上的采動應(yīng)力呈水平采空側(cè)完全卸載和豎直方向加載的特性，并與斷層煤柱靜載應(yīng)力疊加形成高靜載，此時容易引起斷層應(yīng)力場的局部調(diào)整而解鎖活化，加之頂板初次破斷時產(chǎn)生的礦震動載，更易引起斷層活化，稱之為采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化。

（4）模型D：平行斷層走向掘進或回采。斷層煤柱足夠?qū)挄r，采動應(yīng)力與斷層煤柱靜載應(yīng)力互不影響，可與模型A等價；反之，采動應(yīng)力與斷層煤柱靜載應(yīng)力疊加形成高靜載，此時采動應(yīng)力擾動有限，尤其是在掘進期間幾乎固定不變，不再改變斷層應(yīng)力場，因此需要借助如煤巖、頂板破裂產(chǎn)生的礦震動載才能引起斷層活化，稱之為礦震動載主導(dǎo)型斷層活化。

2.2. 斷層活化力學(xué)機制

以斷層為研究對象，取一微小單元建立力學(xué)分析模型，如圖2（a）所示。因此，斷層面上的正應(yīng)力（σyy）和切應(yīng)力（σxy）可表述為：

式中，σ1和σ3為最大、最小主應(yīng)力，兩者可以互換，分別表示正、逆斷層；δ為斷層傾角。

根據(jù)庫侖摩擦定律[26]，任一弱面極限剪切強度為：

式中，c為斷層黏結(jié)力；φf為斷層摩擦角；p為孔隙壓力。令τf=σxy，可得斷層活化的判別準則：

當δ= 90°或δ→φf，σ1-σ3→ ∞，即：

令?[(σ1-σ3)slip]/?δ =0，得：

圖1. 煤層采掘擾動作用下的斷層活化概念模型。（a）模型A：采掘活動遠離斷層—斷層靜載應(yīng)力和采動應(yīng)力互不影響；（b）模型B：垂直斷層走向臨近掘進或回采—采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化；（c）模型C：垂直斷層走向遠離掘進或回采—采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化；（d）模型D：平行斷層走向掘進或回采—礦震動載主導(dǎo)型斷層活化。

由此可得出斷層活化的最小臨界值為：

由式（7）可知，斷層活化的最小臨界值(σ1-σ3)slip-min與斷層黏結(jié)力c、最小主應(yīng)力σ3以及斷層摩擦角φf（一般σ3＞p）呈正相關(guān)，而與孔隙壓力p呈負相關(guān)，即c、σ3、φf越大，p越小，斷層越不容易活化。斷層活化臨界值曲線(σ1-σ3)slip在斷層傾角滿足δ= 45° +φf/2的位置達到最小，當斷層傾角越接近于45° +φf/2時，斷層越容易活化。

為了進一步研究σ1和σ3的擾動作用對斷層活化失穩(wěn)的影響，設(shè)計了如下數(shù)值仿真實驗：

式中，a1為應(yīng)力加載速度，MPa·s-1；a3為圍壓應(yīng)力，MPa；t為加載時間；b1、b3分別為σ1和σ3方向輸入的動載應(yīng)力波幅值，MPa；ω1、ω3分別為σ1和σ3方向輸入的動載應(yīng)力波角速度，rad·s-1；t10、t30分別為σ1和σ3方向開始輸入應(yīng)力波擾動的時間，s；σdrop為斷層活化失穩(wěn)時釋放的應(yīng)力降，并假設(shè)只作用于σ1方向；tanφσ為動態(tài)摩擦系數(shù)。研究結(jié)果表明[27]，tanφσ與斷層面摩擦系數(shù)tanφf密切相關(guān)，其中，tanφf由摩擦面狀況、接觸時間、滑動距離等決定，而tanφσ由加載方式?jīng)Q定。

如圖2（a）所示的數(shù)值仿真實驗過程，圖中左上角為斷面試樣雙軸實驗加載示意圖，整個實驗過程分為3個階段：第1階段，在σ3方向保持壓力常數(shù)5 MPa，σ1方向施加一應(yīng)力加載速度0.1 MPa·s-1；第2階段，在σ3方向壓力保持不變的情況下，于700 s時刻在σ1方向疊加一正弦應(yīng)力波10sin (0.1t)；第3階段，在上述加載條件不變的情況下，于1000 s時刻在σ3方向疊加一正弦應(yīng)力波擾動10sin (0.1t)。

模擬仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，第1階段的常規(guī)帶圍壓準靜態(tài)加載作用下，斷層活化產(chǎn)生周期性應(yīng)力降，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)黏滑失穩(wěn)；相比之下，采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化對應(yīng)的加卸載和瞬間卸載作用條件下的力學(xué)行為出現(xiàn)顯著差異，呈現(xiàn)出動態(tài)、甚至瞬間失穩(wěn)，如圖2（b）、（c）所示；第2階段在σ1方向上附加一周期性擾動，此時黏滑應(yīng)力降略有增加，但仍然保持準周期性的擾動失穩(wěn)，tanφσ曲線出現(xiàn)輕微擾動，稱之為輕微擾動失穩(wěn)階段；第3階段在σ3方向上疊加同一周期性擾動，這一階段tanφσ曲線出現(xiàn)多次突然上升和下降，同時黏滑應(yīng)力降急劇增大，呈現(xiàn)出動態(tài)失穩(wěn)特性，并且局部的突變失穩(wěn)均發(fā)生在σ3方向應(yīng)力波擾動的波谷附近，該階段σ3方向的擾動達到最大拉伸狀態(tài)，斷層法向正應(yīng)力較小，甚至出現(xiàn)負值拉應(yīng)力，即斷面相對壓緊程度消失，出現(xiàn)超低摩擦現(xiàn)象，此時斷層面上微小的剪應(yīng)力便可引起斷層的活化。由此可見，動載擾動（第2階段和第3階段）對斷層穩(wěn)定性的影響比準靜態(tài)應(yīng)力加載（第1階段）明顯；其中，動載擾動影響中，σ3方向的動載擾動（第3階段）又要比σ1方向的動載擾動（第2階段）更為顯著。

綜上所述，斷層法向上的動載擾動雖然很小，但可以改變斷層的受力狀態(tài)及其活動進程，尤其是降低斷層摩擦強度、甚至產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)，不僅更容易引起斷層活化，而且可能觸發(fā)比預(yù)期應(yīng)力降更大的錯動。因此，動載擾動作用下的斷層超低摩擦效應(yīng)是礦震動載主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)。

2.3. 斷層沖擊地壓機理

根據(jù)圖1所示的斷層活化模型，建立如圖3所示的斷層附近頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)模型。隨著煤層采掘活動臨近斷層，斷層與工作面之間的煤層作為斷層煤柱將承受高靜載應(yīng)力[9]，其受載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由圖中右邊曲線描述；將頂板與底板視為一完整圍巖，且其剛度與強度遠大于煤層，其受載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由圖中左邊的曲線表述[28]。

準靜載（σs）作用下，處于峰后階段（DE）的煤層，當其產(chǎn)生應(yīng)變增量Δε2時，對應(yīng)頂板-底板圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)變增量Δε1為：

式中，k1為圍巖的峰前加載剛度；k2為煤層的峰后卸載剛度。因此，頂板-煤層-底板整個系統(tǒng)產(chǎn)生的總應(yīng)變增量Δε為：

其中，煤層應(yīng)變增量與系統(tǒng)整體應(yīng)變增量的比值為：

圖2. 加卸載動靜組合作用下斷層活化仿真實驗。（a）帶圍壓加載動靜組合作用下斷層活化仿真實驗結(jié)果；（b）加卸載作用下斷層活化仿真實驗結(jié)果；（c）瞬間卸載作用下斷層活化仿真實驗結(jié)果。

圖3. 斷層活化誘沖機理模型。

當k1+k2= 0時，對應(yīng)圖3中的S1點，此時Δε2/Δε→ ∞，沖擊過程啟動，伴隨著煤體沖擊破壞過程的逐漸變緩，頂板-煤層-底板系統(tǒng)逐漸達到新的平衡，對應(yīng)圖3中的S點，沖擊過程結(jié)束，該過程表征了沖擊過程的動態(tài)破壞時間[29]。根據(jù)能量守恒原理，系統(tǒng)整個沖擊過程的能量形式包括：圍巖彈性能釋放U1、圍巖釋放能量的消耗部分U2和頂板-煤層-底板系統(tǒng)整體釋放的剩余彈性能U3。σa和σb分別表示沖擊發(fā)生前后的初始應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

當斷層附近的頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)疊加斷層活化動載（σd）時，相比于準靜載作用下的沖擊能量釋放U3，其能量釋放將增加U4，如圖3所示，此時等價于圍巖剛度從k1降低至k1′，同時沖擊啟動位置（滿足k1+k2= 0）從S1提前至S2。更重要的是，對于震動動載（seismic-dynamic stress），如微震，尤其是遠場震源，其作用模式相當于循環(huán)加卸載，由于煤巖材料的非均質(zhì)性本質(zhì)，微震動載引起的每次加卸載將使煤體產(chǎn)生永久變形，此時當動載作用時間足夠長時，對于應(yīng)力狀態(tài)處于S2′的煤體在疊加動載作用下，可啟動類似準靜載作用下位于S2應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊條件；對于沖擊動載（impact-dynamic stress），如工作面附近斷層滑移、頂板破斷等產(chǎn)生的瞬間動載，其作用模式相當于施加一瞬間應(yīng)力增量Δσ，當面積S123＞S3D4時，對于應(yīng)力狀態(tài)處于峰前1處的煤體在疊加動載作用下，可啟動類似準靜載作用下位于峰后4處應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊條件[30]。

綜上所述，斷層沖擊地壓的發(fā)生機理可概括為由斷層煤柱高靜載與斷層活化動載疊加誘發(fā)，其中斷層煤柱高靜載是斷層、頂板結(jié)構(gòu)雙重作用導(dǎo)致，斷層活化動載由采動應(yīng)力靜載為主的局部解鎖和礦震動載為主的超低摩擦效應(yīng)組成。

3. 驗證與討論

3.1. 實驗驗證

3.1.1. 采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化驗證

圖4. 斷面實驗準備。（a）粗糙面設(shè)計；（b）實驗前準備。

為了驗證采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化模型，開展了靜載作用下的斷面試樣物理力學(xué)實驗。首先，從煤礦井下采集頂板砂巖試塊，并在實驗室加工成Φ50 mm×100 mm的標準試樣；然后，按照方案設(shè)計加工成23.7°的斷面傾角。實驗前，在試樣上下斷面同時采用雙面膠粘取不同尺度大小的沙粒模擬不同斷面粗糙度，最終將兩斷塊合在一起實現(xiàn)不同粗糙度的斷面試樣，如圖4所示。

本次實驗由壓力加載、聲發(fā)射監(jiān)測和數(shù)字照相量測采集三大系統(tǒng)組成，如圖5所示。其中壓力加載系統(tǒng)采用的是美國MTS公司生產(chǎn)的MTS-C64.106電液伺服材料實驗機，實驗加載采用位移控制，加載速率為0.18 mm·min-1；聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采用的是美國物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的PCⅠ-2卡多通道聲發(fā)射系統(tǒng)，實驗中采用8個Nano 30傳感器（響應(yīng)頻率100～400 kHz）進行信號采集，其空間布置如圖5所示（上下兩端各均勻布置三個傳感器，中間對立布置兩個傳感器），聲發(fā)射事件定位采用三維定位計算，采樣頻率為2 MHz、前置放大增益設(shè)置為40 dB；數(shù)字照相量測采集系統(tǒng)采用佳能TD數(shù)碼相機，實驗中采用實時攝像方式獲取數(shù)字圖像。實驗全程自動采集應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射信號和數(shù)字圖像。

如圖6所示為斷面試樣加載初期應(yīng)力與聲發(fā)射撞擊數(shù)隨應(yīng)變的變化曲線。由圖可知，斷面滑移過程中產(chǎn)生了明顯的黏滑現(xiàn)象，并呈現(xiàn)出無震滑移（aseismic-slip）特征。該現(xiàn)象表明，砂粒型斷層泥不易積聚剪切應(yīng)變能，或者容易耗散彈性能。這類黏滑可能會隨著斷面粗糙微凸體的連鎖而暫停，此時剪切應(yīng)變能逐漸積累，直到達到臨界值釋放，從而不可避免地引起較高聲發(fā)射強度現(xiàn)象的產(chǎn)生。在黏滑發(fā)生前的初始階段，應(yīng)力變化擾動很小，但聲發(fā)射強度相對較高。這是因為該階段除了產(chǎn)生少量小的斷層黏滑外，在砂粒相互作用中還存在剪切滑移和破壞。

圖5. 采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化驗證實驗裝置。

本次實驗采用佳能TD數(shù)碼相機實時攝像獲取數(shù)字圖像，后期處理采用PhotoⅠnfor軟件[31]進行分析。選取斷面滑移較為明顯（未達到破壞）的某一時刻圖像與實驗加載之前的圖像做比較，最終獲得觀測區(qū)域網(wǎng)格的變形形態(tài)，進一步獲得如圖7所示的各參數(shù)計算結(jié)果。由圖可知，隨著位移的加載，MTS壓力機底座向上平移，在此情況下，斷面試樣下盤可視為主動盤，上盤視為被動盤。位移矢量圖[圖7（a）]明顯指示出，下盤向上移動，遇到斷面后產(chǎn)生向右移動的趨勢，上盤在下盤的擠壓作用下產(chǎn)生沿斷面向左滑移的趨勢，最終兩盤之間產(chǎn)生明顯的剪切滑移。位移云圖[圖7（b）]顯示，作為主動盤的下盤產(chǎn)生的位移明顯大于上盤。由最大剪應(yīng)變云圖[圖7（c）]和y方向應(yīng)變云圖[圖7（d）]可知，斷面上明顯形成一條剪切帶，且剪切帶上的應(yīng)變數(shù)值呈非均勻分布，并存在多處明顯的應(yīng)變集中區(qū)，這主要是由于斷面用沙的非均質(zhì)性使得斷面所受摩擦力呈非均勻分布。

如圖8（a）所示為斷面滑移過程中的受力示意圖，從圖中可以看出，斷面滑移過程中任意質(zhì)點處均受到方向相反的切應(yīng)力σxy和摩擦應(yīng)力τf；由于斷面粗糙度呈非均勻性，即斷面靜摩擦系數(shù)（μs= tanφf）也呈非均勻分布，根據(jù)庫侖摩擦定律可得出斷面上的最大靜摩擦力τf-max=μs·σyy + c。同時摩擦力τf滿足：

式中，μd為動摩擦系數(shù)。

圖6. 斷層黏滑過程中應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射撞擊數(shù)之間的關(guān)系。

圖7. 數(shù)字照相量測處理結(jié)果（圖中尺寸單位為像素）。（a）位移矢量；（b）位移；（c）最大剪切應(yīng)變；（d）y方向應(yīng)變。

如圖8（b）所示為斷面試樣加載到某一時刻（σ1為一定值）時非均勻粗糙斷面上各應(yīng)力分布示意圖，由圖可知，斷面局部存在多處閉鎖和解鎖區(qū)域，此時一旦斷面上局部最大應(yīng)力差大于斷面圍巖的抗拉強度，即滿足max{Δτ=σxy - τf} ≥σt[如圖8（b）中所示的AAˊCˊC劈裂點]，圍巖便產(chǎn)生拉破壞[圖8（c）]。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，圖8（c）所示的應(yīng)力狀態(tài)及其賦存的端部豎直拉裂紋可視為Ⅰ型裂紋擴展，因此，按照最大周向應(yīng)力準則，裂紋將進一步沿著豎直拉裂紋尖端擴展，最終形成垂直于斷面的宏觀破壞裂紋，其劈裂位置與圖7（c）中所示的局部應(yīng)變集中位置對應(yīng)一致。

為了進一步研究斷面滑移過程中的剪切帶和等效劈裂破壞特征，將聲發(fā)射活動分為峰前和峰后階段，并對其空間分布進行分析，如圖9所示。由圖可知，整個加載期間，聲發(fā)射事件主要沿斷面分布，且分布不均勻，與如圖7（c）所示的斷面剪切帶吻合較好。此外，還觀測到垂直于斷面的另一個聲發(fā)射事件空間集中區(qū)，該集中區(qū)開始出現(xiàn)于峰前階段[圖9（a）]，并在峰后階段 [圖9（b）]進一步擴展，與圖9（c）顯示的等效劈裂破壞裂紋吻合較好。

綜上所述，斷層活化引起的無震（aseismic）或有震（seismic）事件可以直接由斷面自身滑移產(chǎn)生或間接由斷面圍巖產(chǎn)生的等效劈裂（適應(yīng)主斷面滑移位移變化）引起。其中，斷面滑移過程中產(chǎn)生等效劈裂破壞的力學(xué)機制主要由摩擦應(yīng)力和斷面圍巖的抗拉強度控制，具體由摩擦系數(shù)（或粗糙度）、斷面傾角及其圍巖抗拉強度控制，詳細可從如下4個方面進行討論：

（1）當斷面粗糙度及斷面傾角一定時，斷面圍巖強度越大，圍巖越不容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，極端情況下（應(yīng)力差Δτ遠小于圍巖的抗拉強度），當斷面產(chǎn)生解鎖滑移時，斷面-圍巖系統(tǒng)釋放的能量以解鎖滑移釋放的能量為主；反之，圍巖容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，斷面-圍巖系統(tǒng)釋放的能量以圍巖產(chǎn)生拉破壞釋放的能量為主。

圖8. 斷面試樣等效劈裂破壞力學(xué)機制分析。（a）斷面試樣加載受力分析；（b）非均勻粗糙斷面受力分析；（c）劈裂點斷裂力學(xué)分析。

圖9. 斷面滑移過程中等效劈裂破壞與聲發(fā)射分布特征。（a）、（b）分別為峰前和峰后AE事件的空間密度分布；（c）等效劈裂破壞試樣。

（2）當斷面圍巖強度及斷面傾角一定時，斷面粗糙度越大，圍巖越容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，極端情況下斷面永久閉鎖，直至產(chǎn)生等效劈裂破壞；反之，容易產(chǎn)生解鎖滑移。

（3）當斷面粗糙度及斷面圍巖強度一定時，斷面傾角越大，圍巖越不容易產(chǎn)生等效劈裂破壞，極端情況下，斷面解鎖滑移，圍巖不發(fā)生破壞，斷面-圍巖系統(tǒng)極其不穩(wěn)定；反之斷面閉鎖，最終產(chǎn)生等效劈裂破壞。

（4）當斷面粗糙度和圍巖強度較大、斷面傾角較小時，斷面-圍巖系統(tǒng)既不容易產(chǎn)生解鎖滑移也很難產(chǎn)生等效劈裂破壞，這種情況下，斷面-圍巖系統(tǒng)極易積聚彈性能，系統(tǒng)一旦解鎖或劈裂破壞，釋放的能量將是毀滅性的，極易引起災(zāi)難性事故。因此，通過降低斷層附近圍巖的強度可在一定程度上破壞斷面-圍巖系統(tǒng)積聚能量的條件，從而達到預(yù)防動力災(zāi)害的目的，如預(yù)防沖擊地壓。

3.1.2. 礦震動載主導(dǎo)型斷層活化驗證

以圖1（d）所示的礦震動載主導(dǎo)型斷層活化模型為研究對象，基于自主研發(fā)的沖擊力可控式?jīng)_擊地壓物理相似模擬平臺，開展動載作用下的斷層活化相似模擬實驗。本次實驗主要由靜載加載系統(tǒng)、動載加載系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應(yīng)力與聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)組成，如圖 10所示，動載由一個20 kg的擺錘突然釋放撞擊滑塊裝置施加，其中，滑塊裝置由一個外套和一個內(nèi)滑塊桿以及一個放置在巷道壁上的沖擊板組成，詳細介紹可參見作者已發(fā)表文獻[32]；靜載由實驗裝置頂梁上預(yù)先安置的液壓裝置產(chǎn)生；聲發(fā)射采用8通道PCⅠ-2聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，模型正背面對應(yīng)各布置4個探頭（響應(yīng)頻率為1～100 kHz），如圖11所示，采樣頻率設(shè)置為1 MHz，其中，聲發(fā)射探頭標示處括號中的編號（如S1）表示模型背面對應(yīng)位置布置的探頭編號；應(yīng)力監(jiān)測采用兩組應(yīng)力盒，并分別置于煤層和頂板位置，每組由兩個應(yīng)力盒組成，分別置于斷層面及其附近的巖層層面，動載過程的應(yīng)力數(shù)據(jù)監(jiān)測采用DHDAS動態(tài)信號采集器進行采集。具體模型參數(shù)與實驗過程見文獻[33]。

如圖12所示為動載作用下的聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果，由圖可知，此次動載作用不僅使巷道圍巖產(chǎn)生了少量微破裂事件，同時還誘發(fā)了斷層活化事件。進一步由圖13可知，動載擾動作用下，斷層面上的切應(yīng)力增加，正應(yīng)力減小，其中，切應(yīng)力增加幅度較小，正應(yīng)力急劇降低，甚至由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，表明動載作用主要通過改變斷層正應(yīng)力狀態(tài)使斷層面承受瞬間的張拉作用，此時斷層兩盤巖層間的相對壓緊程度消失，斷層面的摩擦強度達到超低，最終產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)，斷層極易活化。因此，動載擾動可改變斷層應(yīng)力狀態(tài)，尤其是顯著降低斷層正應(yīng)力數(shù)值甚至改變其作用方向，使得斷層上下盤巖層間相對壓緊程度降低，甚至由最初的壓應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從而使得斷層在某一時刻出現(xiàn)摩擦“消失”現(xiàn)象，進而容易產(chǎn)生礦震動載主導(dǎo)型斷層活化誘沖事件，其中，動載擾動作用產(chǎn)生的斷層超低摩擦效應(yīng)是礦震動載主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)。

圖10. 礦震動載主導(dǎo)型斷層活化驗證實驗裝置。

圖11. 動載作用下斷層活化相似模型實驗設(shè)計。

3.2. 數(shù)值模擬與微震監(jiān)測驗證

河南義馬躍進煤礦25110工作面采深1000 m左右，為25采區(qū)東翼第一個綜放工作面，平均采高11 m，主采2號煤層。該煤層平均厚度為11.5 m，平均傾角為12°，煤層上方依次為18 m泥巖直接頂、1.5 m厚1-2煤、4 m泥巖和190 m巨厚砂礫巖老頂；下方依次為4 m泥巖直接底和26 m砂巖老底。井下四鄰關(guān)系（圖14）：東為23采區(qū)下山保護煤柱，南為25區(qū)下部未采煤層，東南部接近F16逆沖斷層，西為25采區(qū)下山保護煤柱，北為大采空的25采區(qū)。其中，25110上巷（軌道平巷）布置于25090工作面采空區(qū)下方煤層中，下巷（運輸平巷）接近F16逆沖斷層，并與F16斷層的最小平面距離約66 m，工作面中部被3條小斷層切割。F16斷層上盤巖層在逆沖推覆作用下以斷層面為支點發(fā)生翻轉(zhuǎn)，最后呈現(xiàn)出直立（或倒轉(zhuǎn)）形態(tài)，其斷面幾何形狀呈犁式，淺部傾角75°，深部傾角15°～35°，落差50～450 m，水平錯距120～1080 m。截至2011年，25010、25030、25050、25070和25090工作面均已開采完畢，并在研究區(qū)域相關(guān)位置開展了地應(yīng)力測試，其測點及結(jié)果如圖14所示：垂直應(yīng)力σ1= 25.28 MPa，N82°W水平應(yīng)力σ2= 17.92 MPa，以及N8°E水平應(yīng)力σ3= 10.31 MPa。

圖12. 實驗過程及其聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果。

圖13. 動載作用下的斷層活化力學(xué)響應(yīng)。

為了監(jiān)測躍進煤礦采掘期間的微震事件，現(xiàn)場安裝了加拿大ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)，包括安裝在采區(qū)上山和大巷的11個固定臺站（實心三角形），以及安裝在工作面兩巷的4個臨時臺站（實心正方形），其中，臨時臺站可隨著工作面的回采推進向前移動。如圖14所示為25110工作面掘進期間105J能量以上的微震事件分布。由圖可知，微震事件主要分布在皮帶巷一側(cè)，且大部分微震事件集中沿斷層面分布或垂直于斷層面上盤聚集，這與如圖9所示的斷層圍巖等效劈裂破壞位置的聲發(fā)射事件分布一致。因此，斷層滑移產(chǎn)生的微震事件可發(fā)生在斷層面位置或斷層圍巖破裂位置。

采用FLAC-3D數(shù)值軟件對義馬躍進煤礦適當簡化后的25大采區(qū)模型進行模擬，詳細模型參數(shù)見表1。如圖15所示的數(shù)值計算模型，其尺寸為1365 m × 1050 m × 350 m（長×寬×高），共267 936個單元。對于重點研究區(qū)域（煤層巷道開挖區(qū)域）的單元采取細化處理。

表1 數(shù)值模型中斷層和地層物理力學(xué)參數(shù)

圖14. 躍進煤礦采掘工程平面圖、地質(zhì)剖面圖、微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)布置以及25110工作面掘進期間105 J能量以上微震事件分布。地質(zhì)剖面圖：T3為上三疊紀，J1為早侏羅紀，J2為中侏羅紀，J3為晚侏羅紀，K為白堊紀；微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)布置：實心正方形表示臨時臺站，可隨著工作面的回采推進向前移動，實心三角形表示固定臺站。

本文斷層模型采用接觸面單元進行模擬。由于實際斷層面物理力學(xué)性質(zhì)很難真實測量，因此在模擬中通常采用在合理取值范圍內(nèi)進行試算以達到與實際地應(yīng)力條件相匹配的方法來確定，取值見表1：接觸面黏結(jié)力= 2.0 MPa，接觸面摩擦角= 30°，法向剛度（kn）= 剪切剛度（ks）= 9.0×1011Pa·m-1。其中，kn和ks預(yù)估取值為相鄰最堅硬位置等效剛度的10倍以上：

式中，K和G分別為體積模量和剪切模量；Δzmin為接觸面法線方向上單元的最小寬度。

圖15. 躍進煤礦25采區(qū)數(shù)值模型。

Anderson斷裂機制表明[34]，逆斷層的最小主應(yīng)力（σ3）方向為垂直方向，最大主應(yīng)力（σ1）和中間主應(yīng)力（σ2）方向為水平方向，受力形式如圖15所示。因此，模型應(yīng)力條件除了需要匹配后期現(xiàn)場地應(yīng)力條件之外，還應(yīng)考慮初始模型的邊界條件：底部固定，最大水平主應(yīng)力σ1= 29 MPa，中間水平主應(yīng)力σ2= 24 MPa，最小主應(yīng)力σ3= 20.5 MPa，與此同時，σ1和σ2在垂直方向上按0.025 MPa的應(yīng)力梯度值增加。

根據(jù)現(xiàn)場實際開采順序，依次開采25010、25030、25050、25070、25090工作面。在此過程中，采空區(qū)的模擬通過賦值空模型null實現(xiàn)，頂板冒落采用弱化體積模量、剪切模量、黏結(jié)力和抗拉強度至初始值的0.2倍實現(xiàn)，采空區(qū)壓實采用強化上述參數(shù)至初始值的5倍實現(xiàn)。如圖16所示為25110工作面回采前應(yīng)力及斷層面?zhèn)葔合禂?shù)λ分布，圖中λ= SXX/SZZ。由圖可知，25010、25030、25050、25070、25090工作面開采完后現(xiàn)場地應(yīng)力測試位置處的數(shù)值模擬結(jié)果（SZZ = 25.0 MPa，SYY = 17.5 MPa和SXX = 11.0 MPa）與實際測量結(jié)果（σ1= 25.28 MPa，σ2= 17.92 MPa和σ3= 10.31 MPa）基本一致，因此，可驗證數(shù)值模型有效。

由于煤層大面積采空后引起上覆巖層彎曲下沉，所有應(yīng)力分量（SZZ、SXX和SYY）在斷層煤柱區(qū)域（25110工作面計劃開采區(qū)域）出現(xiàn)了應(yīng)力集中。然而，SXX在斷層頂部區(qū)域出現(xiàn)了下降，甚至由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致斷層面?zhèn)认驊?yīng)力系數(shù)降低[圖16（d）]，此時容易引起斷層活化。

綜上所示，煤層采空造成上覆頂板的彎曲下沉，與斷層耦合作用形成斷層煤柱集中應(yīng)力；斷層附近工作面采掘擾動引起的局部應(yīng)力場變化導(dǎo)致斷層面?zhèn)葔合禂?shù)（λ）減小，進而造成采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層解鎖活化。其中，斷層煤柱上的集中應(yīng)力是靜載，斷層活化是動載，兩者疊加構(gòu)成了斷層沖擊地壓的主要機理。

3.3. 斷層沖擊地壓監(jiān)測與防治策略

由上述斷層沖擊地壓的動靜載疊加機理可知，斷層沖擊地壓的監(jiān)測與防治也應(yīng)主要從如何監(jiān)測表征（圖 17）和控制弱化（圖18）斷層煤柱高靜載與斷層活化動載兩方面著手。

斷層煤柱高靜載監(jiān)測方面：可采用鉆屑[35]、鉆孔應(yīng)力[36]、電磁輻射[37]、聲發(fā)射[38]、位移等常規(guī)監(jiān)測方法直接獲取斷層煤柱區(qū)的應(yīng)力分布信息；采用微震[39-41]及其震動波速度層析成像[42]監(jiān)測獲知斷層煤柱區(qū)域的微破裂分布及其應(yīng)力分布情況；采用支架工作阻力[43]監(jiān)測推斷頂板活動與結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，間接獲取斷層、頂板結(jié)構(gòu)雙重作用下的斷層煤柱應(yīng)力情況。

圖16. 25110工作面回采前應(yīng)力及斷層面?zhèn)葔合禂?shù)分布。（a）垂直應(yīng)力SZZ；（b）x方向水平應(yīng)力SXX；（c）y方向水平應(yīng)力SYY；（d）側(cè)壓系數(shù)λ = SXX/SZZ。

斷層活化動載監(jiān)測方面：主要采用微震監(jiān)測與頂板離層監(jiān)測獲取斷層活化信息。

圖17. 斷層沖擊地壓監(jiān)測體系。

圖18. 斷層沖擊地壓防治策略。

斷層煤柱高靜載防治方面：可采用煤層注水、爆破、大直徑鉆孔等常規(guī)卸壓方法[44-46]弱化斷層煤柱區(qū)域煤體，降低斷層煤柱應(yīng)力；采用頂板爆破、水力致裂等方法[47]改變頂板結(jié)構(gòu)，通過弱化斷層與頂板結(jié)構(gòu)的雙重作用降低斷層煤柱靜載應(yīng)力；采用工作面斜交過斷層的方法，避免斷層煤柱寬度整體性減小而引起的突然失穩(wěn)。

斷層活化動載防治方面：采用深孔爆破、注水等方法直接減小斷層面黏結(jié)力c、摩擦角φf以及增大斷層區(qū)域孔隙壓力p，從而弱化斷層活化動載的強度；控制工作面推進速度，避免最小主應(yīng)力σ3的急劇降低而造成斷層的突變失穩(wěn)，同時可減小開采活動產(chǎn)生的礦震動載對斷層活化的影響。

值得強調(diào)的是，雖然這些防治策略是基于概念模型與理論分析提出，但是當中有關(guān)采取爆破弱化斷層應(yīng)力和降低斷層煤柱集中應(yīng)力的防治策略分別在朝陽煤礦[17]和躍進煤礦[5]獲得了成功應(yīng)用。

4. 結(jié)論

通過調(diào)研總結(jié)煤層采掘活動與斷層賦存狀態(tài)之間的概念模型，提出了采動應(yīng)力主導(dǎo)型與礦震動載主導(dǎo)型兩種斷層活化類型的力學(xué)機制及其動靜載疊加誘沖機理，并探討了斷層沖擊地壓的監(jiān)測與防治方法及策略，最后結(jié)合數(shù)值模擬、相似材料模型實驗以及微震監(jiān)測給予了驗證。主要結(jié)論如下：

（1）提出了煤層采掘擾動作用下采動應(yīng)力主導(dǎo)型與礦震動載主導(dǎo)型兩種斷層活化力學(xué)機制。斷層活化主要與斷層面黏結(jié)力、斷層摩擦角、斷層傾角、最小主應(yīng)力、孔隙壓力有關(guān)，且開采擾動引起的水平采空側(cè)卸載和豎直方向加載，即側(cè)壓系數(shù)降低，是采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)；動載擾動作用產(chǎn)生的斷層超低摩擦效應(yīng)是礦震動載主導(dǎo)型斷層活化的力學(xué)本質(zhì)。

（2）提出了斷層沖擊地壓的發(fā)生機理是由斷層煤柱高靜載與斷層活化動載疊加誘發(fā)，其中斷層煤柱高靜載是斷層、頂板結(jié)構(gòu)雙重作用導(dǎo)致，斷層活化動載是由采動應(yīng)力主導(dǎo)型局部解鎖活化和礦震動載主導(dǎo)型超低摩擦效應(yīng)組成。同時，從如何監(jiān)測表征和控制弱化斷層煤柱高靜載和斷層活化動載兩方面著手，探討了斷層沖擊地壓的監(jiān)測與防治方法及策略。

（3）采動應(yīng)力主導(dǎo)型斷層活化的數(shù)值模擬驗證表明，煤層采空引起頂板彎曲下沉，與斷層耦合作用形成斷層煤柱集中應(yīng)力；頂板下沉引起斷層上端水平應(yīng)力減小，甚至變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，進而導(dǎo)致斷層面?zhèn)葔合禂?shù)減小；數(shù)值模擬結(jié)果揭示的斷層煤柱應(yīng)力集中區(qū)和低側(cè)壓系數(shù)區(qū)與微震的主要集中分布區(qū)對應(yīng)一致。

（4）礦震動載主導(dǎo)型斷層活化的相似材料模型實驗驗證表明，動載擾動可改變斷層應(yīng)力狀態(tài)，尤其是顯著降低斷層正應(yīng)力數(shù)值甚至改變其作用方向，使得斷層上下盤巖層間相對壓緊程度降低，甚至由最初的壓應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，從而使得斷層在某一時刻出現(xiàn)摩擦“消失”現(xiàn)象，進而產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)。

致謝

本研究由國家自然科學(xué)基金（51604270、51874292和51804303）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（2017QNA26）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20180643）、中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題資助項目（SKLCRSM15X04）以及中國博士后國際交流計劃派出項目（20170060）資助，特此感謝。

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